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1、产品系统设计报告人机工程学在工程机械设计中的应用摘要:人机工程学是研究人- 机- 环境的一门新兴学科。本文分析了人机工程学在工程机械设计中的应用, 预测了人机工程学未来应用。关键词:人机工程学，工程机械，人- 机- 环境系统1 引言随着社会的发展、科学的进步, 人机工程学作为一门新兴学科也随之得到了发展, 并在工程机械设计中获得愈来愈广泛的应用。人机工程学是从人的生理和心理特点出发, 研究人- 机- 环境相互关系和相互作用的规律, 以优化人- 机- 环境系统的一门学科。在操作者- 工程机械- 环境系统中, 操作者是人机工程学研究的核心对象。随着工程机械种类的增多, 其用途日益扩大, 功率和作业
2、速度不断提高, 施工现场,工作场地日趋复杂, 施工效率愈来愈高, 工程机械操作者的工作越来越繁重复杂。因此改善工程机械操纵者劳动条件, 构建安全、健康、舒适和高效的操作环境的要求越来越迫切, 使得在工程机械设计中人机工程学的重要性更为突出2。2 人机工程学在工程机械设计中的应用工程机械种类很多, 其功能、用途、使用条件各不相同, 对其性能指标、结构参数、人机关系匹配等方面的具体要求, 可能差别很大, 但各种工程机械所面临的人机工程问题, 在很大程度上却存有共同的内容。因此, 本文对人机工程学理论在工程机械设计中的应用进行探讨。2.1 人体尺寸数据与机械协调为了设计出符合人的生理和心理特点的工程
3、机械产品, 使操作者工作时处于舒适的状态和宜人的环境之中, 以达到能量消耗最少、疲劳程度最低和工作效率最高的目标。要求设计人员在产品设计时就充分考虑机械的使用范围和人体各部的尺寸范围, 正确使用人体尺寸数据1。人体各尺寸的比例关系, 因不同种族、民族、国家和地区的人群而不同。因此, 设计工程机械产品时应根据各地区人体尺寸差异来确定产品最优结构参数。世界各先进国家在人体测量方面已进行了长期卓有成效的工作, 都制定了本国的人体尺寸国家标准(或数据资料) , 设计工程机械时是根据本国的人体尺寸确定操纵装置与机械各部分相关尺寸。国外工程机械的制造商也极力宣扬自己的产品完全按人机工程学原理设计。我国也于
4、1988 年发布了中国成人人体尺寸国家标准(GBT 10000- 1988) , 该标准根据人机工程学要求提供了我国成人人体的基础数据, 因此, 我们在引进国外先进的工程机械技术, 研制开发新产品时应考虑到我国的人体尺寸数据与其它国家不尽相同的情况。2.2 驾驶操纵方便轻松工程机械的驾驶操纵和工作操纵是最基本、最频繁、最重要的操作, 无论是手动还是脚动操纵装置, 其动作都必须由人施加适当的力和运动才能实现。工程机械操纵性的好坏, 关键是操纵装置设计4。因此, 操纵装置的设计要符合人机工程学原理, 即操纵装置的形状、大小、位置、运动状态和操纵力等, 都要适合人体力学和人体生理结构特征。操纵装置应
5、设计在人操作最方便、反应最灵活的空间范围之内, 符合操控主从协调的一般原则, 即操纵装置的运动方向应符合多数人的操纵习惯和自然行为倾向, 例如操纵手柄向左移动时, 被操纵的机构也应向左移动。否则, 会造成操纵困难, 降低工作效率, 甚至影响人的身体健康。操纵装置的总体布置力求简洁、明确、易操作和造型美观。2.3 保证驾驶、操作安全和可靠在工程机械使用中, 可能造成人身伤害的因素很多, 它的安全性的好坏, 直接影响驾驶员和其它人员的人身安全。尤其是在陡坡或崎岖不平的复杂工地上作业, 这个问题显得更为突出。工程机械设计中要充分考虑操作人员的安全, 其结构必须符合安全设计原则。如设计防翻滚保护装置和
6、防落物保护装置, 完善制动系统, 设置各种安全报警和自动监控装置, 使用安全玻璃, 设置紧急逃生出口, 设置安全标志和警示等。采用全视野的前窗、大的后窗及侧窗, 改善操作者的视野和操作条件, 安装驾驶室顶灯可以在夜间照亮周围环境提高操作的安全性。近年来国外的新型工程机械在改善操作者的视野和操作条件上作了很大的努力, 如卡特彼勒公司新设计的驾驶室将操作者的视野扩大了21%。2.4 减振降噪提高作业的舒适性绝大多数的工程机械在其工作过程中都将或多或少地承受某种程度的振动。由于工程机械在施工作业中, 操作者会受到不同强度的全身振动, 长时间承受这种振动会使操作者引起心烦、焦躁和腰酸背痛等症状, 它不
7、仅损害操作者的健康, 而且容易疲劳和降低作业效率。因此选用好的减振材料, 采用隔振性能好的弹性支承, 如设置弹性悬挂加减振器, 组成隔振减震系统, 以尽可能提高操作者工作环境的舒适性。如德国的GRMM ER A G 公司设计了一种全方位可调节的且装有液压减振器的机械式悬浮驾驶员座椅,效果奇佳。噪声对人的生理和心理都会产生危害, 噪声会使人听力下降, 注意力不易集中, 反应迟钝, 容易疲劳,从而降低工作效率, 甚至造成操纵失误, 产生不良后果。噪声还会掩盖安全信号和机器的不正常声响, 导致事故。工程机械的噪声主要来自发动机和底盘, 控制噪声的方法主要有两种: 一是降低噪声源发出的噪声。应当降低进
8、排气噪声, 风扇噪声, 发动机燃烧与振动所产生的噪声。二是在噪声转播途径上控制。采用吸声材料和吸声结构, 或者利用隔声板、隔声罩和消声器等材料或装置隔离噪声传播的通路, 在驾驶室与车身、发动机与车架之间设置适宜的阻尼元件, 既能减振隔振, 又能降低随之而来的二次噪声。设计合理的全密封驾驶室是隔离噪声传入的重要和有效手段,同时也为操作者提供舒适的环境。2.5 宜人的驾驶操作环境设计工程机械工作环境恶劣, 施工尘埃、发动机废气等各种有害物质都会污染工程机械驾驶室内的空气质量, 干扰操作者的注意力和反应能力, 影响操作者的正常操作6。为构造安全、健康、高效和舒适的操作环境, 现代工程机械驾驶室都有较
9、宽阔的视野, 挖掘机等野外作业的工程机械, 都配装带冷暖空调的全密封“安全环保型”驾驶室。根据人的生理结构设计可全方位调节的宽大座椅, 要求座椅能根据人的不同身材可调整座高、座深与靠背夹角, 设计防振装置减轻对人脊柱的冲击负荷, 同时又能使上体自由运动, 以保持操纵者有最适宜的操作姿势。例如德国的REXRO TH公司研制成功所谓稳定模块, 不仅使操作者很舒适而且能改善车辆性能。有的驾驶室还带有一个贮藏箱,安装在座椅后面, 它可以贮存冷或热的食品和饮料,充分体现“以人为本”的设计理念。2.6 外观及色彩设计与功能相结合按人机工程学及艺术原理进行工程机械外观及色彩设计, 使机器外观造型布置合理,
10、形态新颖大方,是为了充分体现工程机械性能的先进性和科学性, 使工程机械即有突出的物质功能, 又有宜人的精神功能, 实现艺术与技术的完美结合, 使美学融化于自然科学之中5。现代工程机械的外形从见棱见角的直线形体向“大圆角”曲线形体发展, 使整机造型符合人机工程学原理, 体现了强劲快捷、安全舒适的特性, 给人耳目一新的感觉。如叉车外形从机罩到平衡重, 采用全面包嵌的曲面造型, 同时, 上、下车脚踏板旁的前面板和侧面板的设计也采用了圆弧型, 无刃口、棱边, 使操作者避免上、下车时由于碰撞机身造成意想不到的麻烦。另外, 将脚踏板的开口尺寸加大, 使得操纵者上、下车方便、轻松, 这些改进兼顾了上、下车的
11、安全性和舒适性。色彩具有明显的美观特性, 对人的生理和心理作用是非常重要的, 好的色彩环境有助于提高工作效率, 减少和避免差错, 提高人对信号、标志的辨别速度, 并且可以加快恢复人的视觉能力, 减少疲劳等, 而差的色彩环境将影响人的心理情绪和视觉功能, 影响工效。工程机械机身一般选择高明度、低纯度的色彩,由于操作者工作时精神紧张、注意力集中, 因此可选择宁静、温和、明朗而雅致的色彩。同时, 考虑色彩的功能, 以及人们的心理和生理反映, 可选择黄色或橙色为主体色, 一般以铁黄色为首选, 同时用深色装饰线与主体色调相呼应, 从而获得简洁、明快、稳重的效果。此外, 还要注意色彩的流行性、国际规定的警
12、戒色、民族地域的用色习惯、企业专用色、各国对色彩的好恶情况, 以避免误会甚至产品受到抵制。3 结语我国工程机械产品设计的发展经历了一个曲折的过程, 最初是仿制和经验设计, 故局限性很大, 随着计算机在设计领域的引入, 极大地推动了工程机械产品的创新设计, 人机工程学愈来愈受到制造业及用户的重视, 使得设计理念发生深刻的变化。现代工程机械设计重视操作者的生理、心理特性, 为操作者构建安全、健康、舒适和高效的操作环境, 使操作者的操作简便省力, 迅速准确和安全舒适, 充分发挥人机效能,提高整个系统的效益, 从而增强产品的市场竞争力。根据目前应用人机工程学原理进行工程机械设计的现状, 可以预计, 今
13、后的工程机械设计将更加体现“以人为本”的设计理念, 并将在以下两个方面得到发展。(1) 虚拟设计。虚拟设计是在计算机虚拟现实系统环境中实现的, 设计人员突破物理空间和时间的限制, 在工程机械产品设计过程中, 对产品进行虚拟的加工、装配和评价, 进而避免设计缺陷, 同时降低产品的开发成本和制造成本。例如卡特彼勒公司与美国国家超级计算机应用中心合作进行大型挖掘机的设计。设计人员可以操纵这个虚拟的大型挖掘机, 并通过头盔显示器从各个不同的角度观看未来的新型车辆在运行、操作、挖掘时的情况, 以判断在实时运行过程中是否还存在不灵活、不安全、不协调的地方。(2) 绿色设计, 又称生态设计。绿色设计是站在人
14、类根本利益基点上全方位的设计观念。是一种面向产品整个生命周期的基于生态环境意识的设计思想, 也就是在产品的设计阶段, 就考虑如何从根本上减少环境污染、节约资源和能源。它既满足人的需求, 又注重生态环境的保护与可持性发展的原则, 促进人与自然协调发展。因此是符合时代潮流、具有巨大潜力的一种全新理念的设计方法。参考文献：1周一鸣,毛恩荣.车辆人机工程学M.北京:北京理工大学出版社,1999.2袁修干,庄达民.人机工程M.北京:北京航空航天大学出版社,2002.3阮宝湘,邵详华.工业设计人机工程M.北京:机械工业出版社,2005.4米智楠,邹翔,曹原.浅谈人机工程学在工程机械中的应用J.矿山机械, 1999 (12):67-68.5王世良.立足于美学和人机工程学的装载机造型设计J.工程机械,1998 (12):22-23.6时元福.人机工程学在叉车上的应用J.工程机械,2003(5):24-25.
